PWM调制LED显示屏高灰度高刷新的一种方案

袁胜春;刘延;赵小明

【摘 要】在利用PWM调制实现灰度的显示屏中，如LED全彩显示屏，刷新率高，灰度信息多是两个非常重要的指标。标准的LED显示屏控制系统在灰度的实现与刷新率两者之间很难寻求一个平衡。本文提出了一种平均子场分割的方法来实现高灰度高刷新的方案，这种方案虽然在一定程度上降低了亮度效率，降低10%∼30%左右，但是能够更好的提升灰度的显示效果，同时能够达到很高的动态刷新率。%The high refresh rate and more gray information are very important for using PWM to achieve grey level, such as full color LED screen. The standard LED display control system either realized good gray and the low refresh rate, or realized the high refresh rate and not achieving full gray information. A mean field segmentation method is proposed to achieve high intensity high refresh rate. To a certain extent, though brightness efficiency, about 10%~30% is reduced, gray display effect can be better improved and high dynamic refresh rate can be reached at the same time 【期刊名称】《光电工程》 【年(卷),期】2013(000)005 【总页数】6页(P145-150)

【关键词】LED;高刷新;高灰度;PWM 【作 者】袁胜春;刘延;赵小明

【作者单位】西安电子科技大学 技术物理学院，西安 710071;西安电子科技大学 技术物理学院，西安 710071;西安电子科技大学 技术物理学院，西安 710071 【正文语种】中 文 【中图分类】TN876 0 引 言

LED(Light Emmitting Diode)全彩显示屏经过这些年发展，市场规模越来越大。随着显示屏应用到不同场合，显示屏对画质的追求越来越高，不仅人眼看起来要柔和，细腻，而且色彩等内容需要表现的更加丰富。LED全彩显示屏，一般分为室内屏和室外屏，对于室外屏，要求亮度高，刷新率高。而对于室内屏，需要刷新率高外，灰度效果好，同时需要与环境相适应的亮度。传统的显示屏控制系统在利用PWM波进行灰度调制时，由于移位时钟和OE(Output Enable)持续时间的，灰度级数的实现与刷新频率是两个相互制约的关系。如果用相机对图像进行采样，会出现灰度失真的现象，当采用高速快门的相机进行拍摄时，会出现灰度采样不完整，这给利用机器视觉进行后续图像处理，比如LED显示屏的校正操作带了麻烦。 本文提出一种平均子场分割的方法，此方法不仅可以提高刷新率，而且改善了画质，使得高灰度位信息更好的进行显示，实现高灰度输出。 1 问题描述

传统的LED全彩显示屏是基于BPWM(Binary-weighted PWM)与

GPWM(Gated PWM)调制来实现灰度的[1]。PWM波调制从BPWM方式到GPWM方式很好的解决了八位灰度到十六位灰度级的输出，使得输出画面内容更丰富，灰度渐变更好。但是基于传统的那种子场分配方式，整体屏幕刷新率低，并不能满足越来越多的实际需求。

1.1 GPWM(Gated PWM)调制[1]

在当前LED显示屏控制系统中，为了实现更多的灰度，采用了一种Gated

PWM(GPWM)的调制方式，即将一个子场时间内再进行切分，即除了出现1，2，4，…，2n我们称之为整数部分权值外，还出现了1/2，1/4，…，1/2n我们称之为小数部分对应的权值位，这种灰度位对应的脉冲通过OE来调制。这样，在移位时钟和刷新频率固定的前提下，提升了灰度级数的输出，能够实现16 bit位的输出，这大大提升了画面的内容与灰度细节[6-7]。

设LED灯点亮的持续时间为τmin，刷新频率为Frefr，LED显示屏为H扫，对于串行移位需要移入N个LED灯。移位时钟频率Fclk对应的时间为Tclk，则一个子场最小时间τload为

一个子场的时间必须要大于最小时间τload。设一个子场时间为τsu btime 。即τ su btime ＞ τ load 。

则通过OE门控调制可以实现的灰度等级数为

转换成二进制，通过OE门控调制实现的位数为

又刷新频率为Frefr，LED显示屏为H扫，则行频为FrefrH，对应的一行时间为

对于通过BPWM实现的灰度等级数ng：

转换成二进制对应的位数为Ng

能够实现的灰度级数为Ng+No。通过这种方式很容易实现超过16 bit的灰度输

出。

1.2 问题的产生

由于LED全彩显示屏灰度是通过PWM调制实现的，要使人眼看起来不闪烁，刷新频率要高，常用的客观评估方式临界闪变频率(CFF)与照度之间的关系[1]为

其中：a为常数，对于高灰度级取12.5，对于低灰度级取1.5；La为平均照度，单位为cd/m2；b也为常数，取37。对于100 cd/m2的显示屏来说，刷新频率至少达47 Hz，人眼看起来才不闪烁。一般来说，刷新频率最好100 Hz以上，对于室内屏来说，刷新频率要达到240 Hz[3-5]以上才能使人眼看起来没有闪烁感。而传统的PWM调制方式只能达60 Hz，由于移位时钟以及最小输出持续时间的，难以满足高刷新率要求。有人采用一种子场打散的方式来提高动态刷新率[4]，但是这种方法有很多的问题，其中一个非常明显的问题是将灰度打散了，用相机拍摄，会出现灰度严重失真。

2 平均子场分割(Average sub-field segmentation)

由上面的分析知道，虽然可以在传统的GPWM调制基础上采用子场打散的方式控制LED全彩显示屏实现灰度，使得闪烁效果得到改善，但是由于将一行中的灰度实现所需的子场分布到不同的时间去实现，导致在一个刷新周期内灰度没有实现完，产生灰度失真，如图1所示。

图1 灰度失真图像Fig.1 Grey distorted picture 2.1 理论基础

灰度失真的原因是灰度信息分配到不同时刻实现，使得拍摄的过程中，丢失了部分灰度信息位，而这对于RGB色彩空间的表示来说相当于是缺色，或者是偏色，人眼对于缺色和偏色是比较敏感的，所以产生了失真。

现阶段LED的亮度效率可以达到非常的高，但对于一些LED扫描屏来说，根据不

同的应用环境，亮度可以是不一样的，比如在晚上，如果显示屏亮度太高，对人眼容易产生眩光效应。但是，当降低亮度的时候，要求灰度层次要明显，画质好。 人眼对于灰度级别的感知一般在40级左右，视频源输出256级的灰度，对于人眼来说，已经远远够了，有的时候可以减少灰度位的输出来获得更好的现实效果。比如对于一幅图片，往往是高位灰度的信息内容比较丰富，这时可以只输出校正后的高14 bit位数据。同时，这种方式能够保障更好的刷新效果。

本文提出的这种方法来改善画质的显示正是基于上面的两点考虑，一方面降低亮度效率，亮度效率的减少与平均子场分割原则下不同的子场排布有关系，可以根据不同的应用环境进行调整，一方面可以稍微减少灰度位，但减少灰度位的输出不是必须的，只要刷新频率能够达到要求即可[8]。

如果使得高灰度位对应的刷新频率尽可能的高，而低灰度位对应的刷新频率可以降低，通过这种折中的办法，可以使显示效果得到提高。在这里提出一种均匀子场分割的方法来达到这个目的，增加的这些子场分配尽可能多的到高灰度位中，但是在这种分配的同时必然会使得亮度效率下降。这样，通过降低一定的亮度效率来获得更好的显示效果。比如，在GPWM调制方式中[9]，实现16 bit灰度位的子场分配可能为：32, 16, 8, 4, 2, 1, 1/2, 1/4, 1/8,1/16, 1/32, 1/, 1/128, 1/256, 1/512, 1/1024, 总共73个子场，通过平均子场分割排布后，排布可以为：16×4, 16×2, 16, 16×1/2, 16×1/4, 16×1/8, 16×1/16, 16×1/32, 16×1/, 16×1/128, 8×1/128,4×1/128, 1×1/, 1/128, 1/256,1/512。这样尽可能的使得高灰度位的子场增多，提高高灰度的刷新频率，并且整体刷新频率没有改变，相比于前者，亮度效率从87.67%降到53.33%，但这对于低亮度环境需要高画质情况下是非常有用的。 2.2 实施步骤

对于LED显示屏，在不改变现有的硬件架构的情况下，采用平均子场分割的方法

来改善显示效果。采用此方法实现的灰度位，每一位灰度对应刷新频率可能都不一样。

2.2.1 参数的计算

设LED灯点亮的持续时间为τmin，刷新频率为Frefr，LED显示屏为H扫，对于串行移位需要移入N个LED灯。移位时钟频率Fclk对应的时间为Tclk，则：

那么一个子场的时间必须要大于τload。假如一个子场时间为t subtime ，在这里，一个子场时间应该尽可能的小，这样在相同的行频里能够实现的子场数目就越多，可以实现更多的整数部分，即高位灰度对应的部分，一般取一个子场时间t s ubtime 比τload稍微大一点。

则通过OE门控调制实现的灰度等级数为

转换成二进制，通过OE门控调制实现的位数为

获得的子场总数为

通过BPWM实现的灰度位对应的子场数目不能超过 N sub − No ，这是因为如果取极限情况，小数部分在实现完整位灰度过程中每一位都只占用一个子场。

整数部分至少占用的子场数目为 Ninteger= 2N g−1，这正是GPWM中整数部分占用的子场数目。

一般 N sub − No 不会是2的幂次方，所以 N integer 不等于 N sub − No 。多出来的子场分配到相应的高灰度位，使得高位分割更加均匀。

2.2.2 平均子场分割原则

对于不同的应用，LED现实屏运用在不同的环境中，对于室外屏，需要亮度效率高，而对于室内屏，一般不需要室外屏那么高的亮度，通过增加不同的灰度位的子场数目来获得这种需求，选择的原则有如下几点： 1) 亮度优先； 2) 画质优先； 3) 刷新优先。

对于亮度优先的场合，应该保证高位灰度的刷新频率，而减小低灰度位的刷新频率，如表1。

表1 两种画质优先的平均子场分布方式Table 1 Two types of mean field segment for quality priority?

对于画质优先的场合，将子场平均增加分配到不同的灰度位中，如表2。 如表1中数据，对于子场的总数不变，但是有两种分配方式。对于排布1与排布2，亮度效率均为88.88%，而标准的GPWM亮度效率为94.48%。但是从上面的两种排布可以知道，高灰度位的调制脉冲比GPWM更加的分散，并且每一刷新周期内尽可能的保证高灰度位，这大大的削弱了每次刷新周期内的灰度失真。当前的LED显示屏亮度太高，甚至产生了眩光，适当的降低亮度，并且同时能够获得更高的画质，这正是当前LED显示屏的迫切需要。

表2 画质与刷新优先示例Table 2 Example for graphics and refresh priority? 2.2.3 亮度效率的计算

因为采用增加子场的方法可能会使得每一位灰度的刷新频率都不一样，对应的OE门控调制脉冲时间宽度也不一样。设每一位灰度占子场数为Nbit，对应的OE门控调制脉冲时间为toe，容易知道，toe最大不超过一个子场时间，总共输出的灰度位数为n，对于实现完整灰度的整体刷新频率下，亮度效率的计算公式如下：

表3中给出几个不同原则时，对应子场分配下的亮度效率数据参数。

表3 亮度优先原则示例Table 3 Example for brightness priority principleShift clock/MHz 20.83 Line wrap times 16 Scan screen 8 Refresh rate/Hz 960 Refresh rate for lowest bit 60 Luminance efficiency/% 94 Average sub-field segment arrangement Output bits/ bit 13 Time for one subfield/µs 7.5 16×8, 4×16, 16×2, 16 ,8×1 ,

8×1/2 ,8×1/4 ,2×1/2 ,2×1/4 ,1×1/4 ,1×1/8 ,1×1/16,1×1/32 表2与表3中不同子场排布的实现方法测试效果图如图2。

图2 基于平均子场分割的高灰度高刷新效果图Fig.2 High gray level and high refresh rate picture of average sub-field segmentation

图2 (a)对应于表2，图2(b)对应表3。从上面的两个表格的子场排布以及效果测试图可以看出，相比于GPWM调制方式，平均子场分割调制使得图像更加细腻，灰度得到了很好的重现，没有出现灰度失真的现象。另外从表2的排布可以算出，此排布方式在一定程度上降低了亮度效率，其值为80%，动态刷新率可以达到很高，并且灰度更加完美。表3的亮度效率稍微下降，亮度效率高，达到94%，但是由于采用了平均子场分割的思想，灰度失比于GPWM也小很多。可以看出这种方案虽然在一定程度上降低了亮度效率，但是能够更好的提升灰度的显示效果，同时能够达到很高的动态刷新率。 3 总 结

本文提出了一种子场来实现高灰度高刷新的方法，这种方法在传统的GPWM调制的基础上，可以很好的减少显示过程中灰度失真，改善显示画质，并且采用这种方法可以使显示屏更好的运用到不同的环境中，能同时应对高刷新，高画质等各种需求。

参考文献：

[1]Svilainis L.LED brightness control for video display application [J].Displays(S0141-9382)，2008，29：506-511.

[2]Svilainis L.LED PWM dimming linearity investigation [J].Displays(S0141-9382)，2008，29：243-249.

[3]Wendler B.Refresh Rate，Technical note，42 [K].Daktronics Inc，USA，2002.

[4]WU Bin.Algorithm of Dispersed PWM and Dynamic Refresh Mode for LED Display Control，Automation and Systems Engineering (CASE) [C]// 2011 International Conference，July 30-31，2011.

[5]林信宏.提升高阶显示屏刷新率的方法 [J].现代显示，2009(8)：53-55.LIN Xinhong.The Methods to Improve Visual Refresh Rate for High-End LED Display [J].Advanced Display，2009(8)：53-55.

[6]李仕，张葆，孙辉.旋转运动模糊的实时恢复算法 [J].光学精密工程，2009，17(3)：8-654.LI Shi，ZHANG Bao，SUN Hui.Real-time restoration of images blurred by rotational motion [J].Optics and Precision Engineering，2009，17(3)：8-654.

[7]David S Hands.A Basic Multimedia Quality Model [J].IEEE Transactions on Multimedia，2004，6(6)：806-816.

[8]刘璐，夏军，尹涵春.帧频和响应时间对移动显示LCD图像质量的影响 [J].光电子技术，2008，28(4)：245-249.LIU Lu，XIA Jun，YIN Hanchun.The Influence of Frame Frequency and Response Time on Image Quality of Mobile LCD [J].Optoelectronic Technology，2008，28(4)：245-249. [9]邓宏贵，梅卫平，曹文晖，等.基于PWM的LED显示屏像素亮度控制方法 [J].

光电子技术，2010，30(2)：131-134.DENG Honggui，MEI Weiping，CAO Wenhui，et al.Based on the PWM of the LED Display Pixel A Brightness Control Method [J].Optoelectronic Technology，2010，30(2)：131-134.